表观遗传学

表观遗传学

大家晚上好！很高兴有机会和大家交流，我最近看了一些这方面的材料，借这个机会和大家交流一下，讲的不一定对，就是自己的理解，有问题的地方大家可以讨论。我想从以下几个方面进行介绍：

1、表观遗传学概念

2、表观遗传学的研究内容

一、表观遗传学概念

经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸, 生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列上，碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变，而这种改变可以从上一代传递到下一代。然而，随着遗传学的发展，人们发现,，DNA、组蛋白、染色质水平的修饰也会造成基因表达模式的变化，并且这种改变是可以遗传的。这种基因结构没有变化，只是其表达发生改变的遗传变化叫表观遗传改变。表观遗传学是一门研究生命有机体发育与分化过程中，导致基因发生表观遗传改变的新兴学科。

1939年，生物学家Waddington CH 首先在《现代遗传学导论》中提出了epihenetics这一术语，并于1942年定义表观遗传学为他把表观遗传学描述为一个控制从基因型到表现型的机制。

1975年，Hollidy R 对表观遗传学进行了较为准确的描述。他认为表观遗传学不仅在发育过程，而且应在成体阶段研究可遗传的基因表达改变，这些信息能经过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体世代间传递，而不借助于DNA序列的改变，也就是说表观遗传是非DNA序列差异的核遗传。

Allis等的一本书中可以找到两种定义，一种定义是表观遗传是与DNA突变无关的可遗传的表型变化；另一种定义是染色质调节的基因转录水平的变化，这种变化不涉及DNA序列的改变。

二、表观遗传学研究内容

从现在的研究情况来看，表观遗传学变化主要集中在三大方面：DNA甲基化修饰、组蛋白修饰、非编码RNA的调控作用。这三个方面各自影响特有的表观遗传学现象，而且它们还相互作用，共同决定复杂的生物学过程。因此，表观遗传学也可理解为环境和遗传相互作用的一门学科。

DNA甲基化

组蛋白共价修饰

染色质重塑

基因组中非编码RNA

微小RNA（miRNA）

反义RNA

内含子、核糖开关等

基因印记

1、DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要

是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。

哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。

在结构基因的5’端调控区域, CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该结构。基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合。

DNA甲基化一般与基因沉默相关联；非甲基化一般与基因的活化相关联；

而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。

目前认为基因调控元件（如启动子）的CpG岛中发生5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相关联。

由深圳华大基因研究院绘制的中国人全基因组DNA甲基化图谱（炎黄甲基化项目）在2010年11月9日的《PLOS BIOLOGY》上发表。该研究对“炎黄一号”的外周血单核细胞DNA样品进行亚硫酸氢钠处理并用新一代测序技术进行深度测序，应用自主开发的生物信息学软件，研究人员绘制了“炎黄一号”高精度的全基因组甲基化图谱，可以分辨单个碱基的甲基化水平。在此基础上，研究人员对各个基因元件以及基因组元件的甲基化模式进行了全面的分析，同时对等位基因特异的DNA甲基化也进行了分析并发现多个候选的印记基因。

2、组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。

组蛋白的N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。

被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与DNA的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。

组蛋白修饰种类

乙酰化-- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的Lys 残基上。甲基化-- 发生在H3、H4的Lys 和Asp 残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。

磷酸化-- 发生与Ser 残基，一般与基因活化相关。

泛素化-- 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。

SUMO（一种类泛素蛋白）化-- 可稳定异染色质。

其他修饰

3、染色质重塑

染色质重塑（chromatin remodeling）是一个重要的表观遗传学机制。

染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。

组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。

重塑因子调节基因表达机制的假设有两种:

机制1：一个转录因子独立地与核小体DNA 结合(DNA可以是核小体或核小体之间的), 然后,

这个转录因子再结合一个重塑因子, 导致附近核小体结构发生稳定性的变化, 又导致其他转录因子的结合, 这是一个串联反应的过程; （重建）

机制2：由重塑因子首先独立地与核小体结合, 不改变其结构, 但使其松动并发生滑动, 这将导致转录因子的结合, 从而使新形成的无核小体的区域稳定。（滑动）

4. RNA调控

1995，RNAi现象首次在线虫中发现。

1998，RNAi概念的首次提出。

1999，RNAi作用机制模型的提出。在线虫、果蝇、拟南芥及斑马鱼等多种生物内发现RNAi 现象。

2001，RNAi技术成功诱导培养的哺乳动物细胞基因沉默现象。RNAi 技术被《Science》评为2001年度的十大科技进展之一。

至今，蓬勃发展，成为分子生物学领域最为热门的方向之一。

RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。

由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。

RNA干扰是一种重要而普遍表观遗传的现象。

siRNA

siRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的3’碱基。

siRNA功能：是RNAi 作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA是细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。

除DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和RNA调控以外，还有遗传印迹、X染色体失活、转座、负突变等。

遗传印迹、X染色体失活的本质仍为DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑。

概念：

或称亲本印迹（parent imprinting）

是指基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。

特点：

基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。

不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。

基因印迹过程

印迹的形成

印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。

印记的维持

印记的去除

印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。

基因组印迹的机制

配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。

X染色体失活

1961年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失

活的假说，并认为这是一种基因剂量补偿的机制。以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条X染色体是完全失活并呈异染色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条X 染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。

1996年G.D.Penny等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心( X-inaction center，Xic)，X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。